基于肺部CT 影像组学的慢性阻塞性肺疾病中医辨证分型自动分类算法研究

李远哲，许烨红，陈佳阳，陈志坚，唐辉龙，赖清泉

1.福建医科大学附属第二医院CT/MRI 室，福建 泉州 362000；2.福建省泉州市安溪县中医院放射科，福建 泉州 362400；3.福建省泉州市安溪县中医院中医呼吸科，福建 泉州362400

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是临床常见病，严重影响老年人的生活质量，并发症严重时可增加患者的致残率和死亡率［1-2］。我国2002—2004 年的人群性COPD 横断面调查显示，40 岁以上人群的COPD 总体患病率为8.2%［3］。COPD 西医治疗主要采用消炎、支气管扩张药及吸氧等方法；中医辨证施护可有效改善肺功能，提高患者的生活质量［4］。中医治疗根据中医辨证分型不同，使用不同方剂，因此准确的中医辨证分型是COPD 治疗的基础。本研究依据COPD 患者的肺部CT 影像组学特征建立痰浊阻肺证、痰热郁肺证及肺肾气虚证这3 种中医辨证分型的自动分类算法模型，以提高中医辨证分型的准确性。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性收集福建省泉州市安溪县中医院2019 年1 月至2020 年12 月诊断的COPD 患者276 例，其中男252 例，女24 例；年龄45～93 岁，平均（69±14）岁，排除38 例肺部CT 影像质量差的患者，共入组238 例。由高年资中医主任医师根据《慢性阻塞性肺疾病中医诊疗指南（2019 版）》［5］及患者的临床信息，对患者进行中医辨证分型：痰浊阻肺证98 例，痰热郁肺证84 例，肺肾气虚证56 例。将238 例按照7∶3 的比例，随机分为训练组和测试组，详情见表1。

表1 中医辨证分型训练组及测试组数据分布情况 例

1.2 仪器与方法

采用64 排Philips CT 扫描仪行螺旋容积扫描。扫描参数：120 kV，自动mA，层厚1 mm，螺距1.0，准直宽度64×0.625 mm，层距1 mm。患者取仰卧位，两臂上举抱头。扫描范围自胸腔入口至肺下界膈面。

1.3 影像数据标注

由2 位具有5 年以上胸部诊断经验的影像医师独立使用ITK-SNAP 3.0 软件对患者的肺部CT 图像进行勾画，分割出整个肺部区域（图1）。

图1 使用ITK-SNAP 软件对患者肺部CT 图像进行勾画 注：图1a～1c 分别为CT 冠状位、矢状位及分割后的肺部三维重建图像

1.4 组学特征提取与建模

使用PyRadiomics 软件对肺部图像进行特征提取，总共提取1 316 维影像组学特征，包括一阶统计学特征、形态学特征、灰度共生矩阵（GLCM）、灰度区域尺寸矩阵（GLSZM）、灰度运行长度矩阵（GLRLM）、灰色相邻调差矩阵（NGTDM）、灰度相关矩阵（GLDM）［6］。使用最大相关-最小冗余（max-relevance and minredundancy，mRMR）和套索算法（least absolute shrinkage and selection operator，LASSO）2 种特征选择方法来选择特征：先行mRMR 去除冗余和无关特征，保留20 个特征；后行LASSO 回归，选择最优的特征子集，构建最终的模型。采用支持向量机作为分类模型并使用训练组进行模型训练，使用测试组对模型进行性能评估，使用ROC 曲线及AUC 作为性能指标。

2 结果

经LASSO 特征筛选后保留最后9 维特征（图2），基于该特征建立中医辨证分型自动分类模型。3 种中医辨证分型影像组学分类模型的ROC 曲线见图3～5，影像组学分类模型测试组的性能见表2。痰浊阻肺证影像组学分类模型测试组ROC 曲线示AUC 为0.903，准确率为0.835；痰热郁肺证影像组学分类模型的ROC 曲线示AUC 为0.876，准确率为0.815；肺肾气虚证影像组学模型的ROC 曲线示AUC为0.811，准确率为0.791。

表2 COPD 3 种中医辨证分型的影像组学模型测试组的性能

图2 经套索算法（LASSO）选择后的9 维影像组学特征名称［5］及其相应系数

图3 痰浊阻肺证影像组学分类模型ROC 曲线 注：图3a 为训练组ROC 曲线，图3b 为测试组ROC 曲线 图4 痰热郁肺证影像组学分类模型ROC 曲线 注：图4a 为训练组ROC 曲线，图4b 为测试组ROC 曲线 图5 肺肾气虚证影像组学分类模型ROC 曲线 注：图5a 为训练组ROC 曲线，图5b 为测试组ROC 曲线

3 讨论

慢性阻塞性的肺气流受限是COPD 的主要特征，是由小气道疾病和肺实质破坏（肺气肿）混合引起的，两者速率发展不同，可不同时出现。虽然CT 不是COPD 诊断和治疗的常规推荐方法，但随着发展，其在评估COPD 患者肺部异常改变、并发症及肺功能方面显示出优势。多项研究证明，COPD 的分期与肺部CT 表现有明显相关性［6-11］。COPD 的治疗西医主张采用消炎、支气管扩张药及吸氧等方法；中医则认为辨证治疗可有效改善COPD 患者的肺功能，提高患者生活质量。中医治疗及护理可根据中医辨证分型采用不同方剂和护理策略，因此准确的中医辨证分型是COPD 中医治疗的基础［12-14］。本研究依据中医辨证分型与CT 影像组学建立COPD 中医辨证分型的自动分类算法。结果表明，通过影像组学高通量特征计算和特征筛选建立的COPD 中医辨证分型模型鉴别痰浊阻肺证性能良好，而对痰热郁肺证、肺肾气虚证的鉴别性能一般。本研究采用肺部CT 图像结合影像组学方法，建立模型自动分类痰浊阻肺证、痰热郁肺证和肺肾气虚证的准确率＞79%、敏感度＞78%、特异度＞80%，平均AUC 分别为0.903、0.876 和0.811，可为医师制订中医辨证治疗与辨证施护方案提供量化参考依据，同时还可减少医师工作量，提高中医辨证分型的准确率，推进COPD 的精准治疗。本研究的不足之处：受样本量限制，建立的中医辨证分型自动分类模型囊括的中医辨证分型不全，今后将扩大样本量，更新算法。